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機器人只能用一張撲克臉、上面兩只空洞的塑料珠子來面對人類嗎？

不一定，它也可以沖你微笑！

下面這個擁有著柔軟面部的“小藍人”，可以模仿人類的微笑等表情。

就像這樣：

“尬笑”、“齜牙咧嘴”……一改機器人“冷若冰霜、呆若木雞”的形象。

可一向由金屬或硬塑料制成的機器人，是如何露出微笑的呢？

由線和電機組成的人造“肌肉”

哥倫比亞大學（Columbia Engineering）創(chuàng)意機器實驗室（Creative Machines Lab）的研究人員一直對機器人與人類之間的互動感興趣。

面部表情在建立信任方面發(fā)揮著巨大作用，隨著機器人已經(jīng)被越來越多地用于療養(yǎng)院、醫(yī)院等與人類緊密合作的地方，相比“冷冰冰”，我們更需要靈敏、有“溫度”的機器人。

于是，研究人員花了五年時間來創(chuàng)造上面這個可以模仿人類表情、叫做 EVA的機器人。

EVA的機械設計含以下四個模塊，如下圖：

A為電機伺服模塊（motor servo module ），EVA就是由它驅動，該模塊通過底部的樹莓派4控制。“皮膚”通過尼龍繩與10個電機相連，以受到控制作出相應表情。

B為有6個轉動角度的自由度的眼睛模塊，與前顱骨分離。

C為RGB攝像機，用于人表情的隨機數(shù)據(jù)采集。

D為6自由度的頸部模塊。

其中，要想在機器人整個頭部設計出一個足夠緊湊的系統(tǒng)以適應人類頭骨的大小，同時仍然具有足夠的功能以產(chǎn)生各種面部表情可不容易。

里面要塞下電路、傳感器和電機（motor）等各種體積不小的玩意兒。

為此，研究人員決定用3D 打印來制造形狀復雜的零件，讓這些零件在EVA 的腦瓜里無縫地集成在一起。

EVA通過由尼龍繩和電機（cables and motors）組成的人工“肌肉”，拉動臉上的特定點，模仿人類面部皮膚和骨骼上不同部位的42多塊細小肌肉的運動，來表達憤怒、厭惡、恐懼、喜悅、悲傷和驚訝六種基本情緒，甚至更細微的表情。

“有一天，當 EVA 突然給我一個大大的、友好的微笑時，我正忙著自己的事情，我知道這純粹是機械性的，但我發(fā)現(xiàn)自己條件反射地回以微笑。”

深度學習“閱讀”人類表情，作出反應

上面的機械設計，表明EVA這個機器人在物理上具備作出各種表情的能力。那它又是如何自主完成模仿的呢？

下面就來揭開這款機器人的軟件部分。

由于人類面部表情太復雜，預先設定好的規(guī)則根本不夠隨機應變，研究人員利用幾個深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡構建了EVA的“大腦”。

這個大腦需掌握兩種能力：一是通過“閱讀”人類的臉知道自己要做哪些表情；二是能把這些表情通過控制面部“肌肉”而呈現(xiàn)出來。

為了教EVA認清自己的“臉”是什么樣子，團隊拍攝了數(shù)小時它做各種“鬼臉”的視頻。

眉毛也可以動～

然后，就像一個人類在Zoom視頻軟件里看著自己一樣，EVA的內部神經(jīng)網(wǎng)絡學會了將肌肉運動和視頻片段中自己的臉“配對”。

EVA對自己的臉是如何“運動”有了原始的感覺后，讓它將自己與攝像機拍攝的人臉表情匹配上也就不難了。

經(jīng)過多次改進和迭代，EVA終于獲得了從相機讀取人臉“姿勢”的能力，并通過模仿人類面部表情來做出反應。

整個模仿過程如下：

EVA的大腦主要有兩個神經(jīng)網(wǎng)絡：生成網(wǎng)絡和逆生成網(wǎng)絡（inverse network）。

給定一幅由普通RGB相機拍攝的人臉圖像后，系統(tǒng)首先用OpenPose提取面部標志。

OpenPose，人體姿態(tài)識別項目是美國卡耐基梅隆大學(CMU)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和監(jiān)督學習并以caffe為框架開發(fā)的開源庫。

然后將人臉面部標志標準化為機器人尺寸，將它與靜態(tài)機器人臉圖像連接到生成網(wǎng)絡，生成合成表情后的機器人圖像。

逆生成網(wǎng)絡以該圖像為基礎，輸出電機指令讓機器人執(zhí)行，最終機器人臉上浮現(xiàn)出人類表情。

再來看一組EVA的模仿：

發(fā)現(xiàn)EVA還會眨眼睛、扭脖子，但是從正面看的話表情還是有點僵硬。

研究人員指出，EVA 還只是一項實驗室實驗，只會模仿，也與真正和人類進行面部表情交流還相去甚遠。但他們相信這種技術終有一天會在現(xiàn)實世界中產(chǎn)生有益的應用。

該研究于 2021 年 5 月 30 日在 ICRA 會議上發(fā)表，機器人的藍圖已在 Hardware-X（2021 年 4 月）開源。

關于作者

此次EVA機器人的研究團隊主要成員一共5人，其中3名華人。

機器人軟件部分的項目領導人為Chen Boyuan，吉大本科畢業(yè)，現(xiàn)哥倫比亞大學博士生，專業(yè)計算機科學與技術，研究方向：機器人、計算機視覺、機器學習。

文中出鏡的小哥胡宇航 ，也是哥倫比亞大學的博士生。本科畢業(yè)于廈門大學嘉庚學院，本科期間就申請了多項國家專利，還開了公司，被稱為“科創(chuàng)達人”。

Li Lianfeng, 哥倫比亞大學機器人技術與控制機械工程碩士。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2105.12724
項目網(wǎng)站：http://www.cs.columbia.edu/~bchen/aiface/